专利名称：远距离引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的方法
远距离引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的方法技术领域
本发明属于矿山环境保护技术领域，特别涉及高潜水位平原矿区远距离充填采煤沉陷地的充填位置与需沙量分析、取沙、输沙和充填复耕方法。技术背景
在中国的东部平原地区，存在着淮南、淮北、徐州、兖州、济宁等几大矿区，这些区域由于地下潜水位较高，沉陷后积水情况严重，有些地区的耕地损失量能达到50%以上。对于该类地区采煤沉陷土地复垦的研究最早引起了各方学者的重视，已产生了许多实用的复垦技术，但目前常用的挖深垫浅、煤矸石充填、粉煤灰充填等复垦方式均不能很好的解决该类地区人多地少的矛盾。挖深垫浅复垦的耕地面积较少，煤矸石或粉煤灰充填需要大量的复垦材料，而且运距大，经济成本高，充填后，填充物所含的一些化学成分或重金属对农作物生长和产品质量都有影响，况且目前矿区已基本将煤矸石、粉煤灰等工业废弃物加以资源化利用，没有足够的可供充填的煤矸石或粉煤灰。根据部分矿区采煤沉陷地比较靠近黄河的特点，引黄河泥沙对其进行充填，使其恢复耕地，是一种行之有效的措施。引用黄河泥沙充填复垦，不仅可以合理利用黄河水沙资源，而且能够最大限度地增加耕地面积，缓解矿区人地矛盾；在采煤沉陷区恢复耕地的同时十分有利于降低黄河河床高程，提高防洪效益，能够解决引黄济青、济津工程的淤泥处置难题；压煤村庄搬迁选址不再是难题，而且搬迁村民也不用远离乡土，采煤沉陷区耕地资源的恢复有利于社会的和谐稳定。
远距离引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的关键是充填位置与需沙量分析、取沙、输沙和充填复耕。国内部分矿区已对引黄河泥沙(湖泥)充填沉陷区进行了一些积极探索。其中，对引用湖泥充填沉陷地研究较多。刘光荣(刘光荣，1995)对特大型矿井采煤引起的地表沉陷治理提出了相应的对策，对靠近南阳湖的济宁二号井、三号井面积为29.5km2的沉陷区，提出采用南阳湖湖泥充填沉陷区进行治理的方法。薛世新(薛世新，2006)、邹朝阳等(邹朝阳等，2009)、时洪超(时洪超，2010)在分析大屯公司采煤沉陷地现状的基础上，对比分析了用土回填、挖深垫浅、煤矸石或粉煤灰充填和湖泥充填的优劣，提出了包含取土区标志设立、排泥管铺设、充填区围堰填筑、挖泥船施工、排水、固结、土地平整和水利配套等7个步骤在内的湖泥充填施工工艺，并在张楼村、陶官屯村、王庄村、大屯村和徐庄矿采煤沉陷地进行了实地应用。该方法的不足之处在于淤泥层厚，容易形成沼泽，排水固结时间也比较长，充填复垦完成至少两三年后才能耕种。孙桂环等(孙桂环等，2011)通过分析黄河下游具备的水沙条件，对实施引黄淤填煤矿沉陷地的黄河可引水天数、流量及可引进沙量等进行了定量分析，提出了包含取沙位置、输沙方式等在内的淤填总体规划目标设想，并进行了工程成本估算及社会经济效益分析，为处理黄河泥沙和解决采煤沉陷地问题提供了参考。引黄河泥沙充填采煤沉陷地的关键是取沙、输沙和充填。挖泥船取沙技术已使用多年，有很好的设备和技术。管道输送浆液技术也在相关行业如输送精矿、粉煤灰、石油、煤泥、水煤浆和纸浆等方面有很好的实践(廖传华等，2008)，可以借鉴和使用。此外，中国在黄河下游开展淤背固堤工作已有50多年的历史，历经自流放淤、提水淤背和机淤固堤三个阶段，其淤筑.工艺包括淤区清基与围格堤填筑、泵淤设备和输送管线布设、淤区排水沟与辅道的修筑、淤区吹填、排水与包边盖顶等，为远距离引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地提供了技术参考和重要依据，但经过近40年的改进完善，引黄机淤固堤技术的提升仅限于挖取沙设备功效提高方面。目前引黄淤背固堤生产中存在的主要问题包括挖泥船取沙浓度偏低、输浆距离逐年增加，生产效率下降、黄河断流，影响吸泥船生产、淤背区包边盖顶挖损农地多等，且引黄淤背固堤距离一般都在3km以内(郑万勇等，2003)，最远不超过12km(黄文峰等，2006)，而远距离(>30km)引黄充填技术由于工艺较为复杂，初期投资高，生产管理难度大，目前在采煤沉陷区的应用还未见报道。发明内容
本发明的目的是为解决采煤沉陷区恢复耕地的技术难题，提出一种远距离引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的方法，旨在强调充填位置与需沙量分析、取沙、输沙和充填复耕4个工序的重要性和相互影响，通过各个工序具体实现方法和技术参数的优选，获得具有原表土、较高生产力的农田和实施高效益的引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地工程。
本发明提出的远距离引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的方法，其特征在于，将采煤沉陷地充填恢复为耕地、所述远距离为输送充填物距离大于30km ;包括以下步骤:
(I)预测不同时间点待充填采煤沉陷地的空间分布和需沙量:通过遥感影像解译、开采沉陷预计、现场调查方法，确定不同时间点的采煤沉陷地的空间分布和沉陷总面积、积水面积及沉陷深度，进而确定出不同时间点的充填位置和需沙量；
(2)选择取沙位置及取沙设备:根据待充填采煤沉陷地的位置和需沙量，结合黄河的河势及滩区沿岸分布情况，选择取沙场位置，选用绞吸式挖泥船、组合水力冲挖机泵或DPB电泵平台并联式清淤设备中任一种作为取沙设备；其中，取沙泵和泥浆泵的功率为18-25kw，扬程为20-50m，DPB电泵平台并联式清淤设备的功率为80_100kw，扬程为30_40m ；
(3)输沙管道的布设:采用管道输沙方式，按照主管加支管的方式布设输沙管道，所述主管为铸石复合钢管，直径为500-800mm，布设到矿区附近；支管采用300-600mm的普通钢管，布设到待充填采煤沉陷区；泥沙输送流速为1.9-2.5m/s ;根据取沙泵功率和传输距离，在主管路线上设立若干中继加压泵站，保障泥沙的远距离输送；输沙浓度控制在300-700kg/m3；
(4)沉陷地的充填及复垦:根据步骤(I)所确定的待充填采煤沉陷地的时间与空间分布和需沙量，根据不同情况选择不同的复垦方式:①根据开采沉陷预计结果，对将要塌陷而未积水的采煤沉陷地，采取动态预复垦的方法:即先划分充填条块，再对各条块表土和部分心土进行剥离，剥离总厚度应等于该处的沉陷预计深度(其中表土剥离深度一般为30cm),并就近堆积成围堰土堤，形成若干个长方形待充填的条块(条块尺寸依据沉陷地具体情况和当地农田需要，一般长为100-500m，宽15-100m);用管道输沙充填待充填的条块，在充填过程中同时排水，以加速泥沙沉淀；待充填的条块充填完毕后，将周边堆积的表土和心土按照设计高程覆盖在充填的泥沙上。②对于已塌陷积水且积水深度小于2.0m的稳定沉陷地，在待充填区域预先修筑排水沟排走积水，或布设水井进行抽排降低潜水位，再划分充填的条块，进行表土和部分 心土剥离、泥沙充填、排水、表土覆盖对于塌陷积水深度大于2.0m的沉陷地，直接输送黄河泥沙进行充填，再进行排水，最后采用客土进行覆盖形成充填复垦土地。
所述三种方式排水时均可在每个充填条块靠近排水沟一端的土堤上挖掘一宽为0.2-lm、深度与围堰土堤等高的排水通道，并在其前端设置土工布层，以拦蓄泥沙快速排水。
本发明优点和积极效果
(I)取沙效率高:通过优选取沙场和取沙设备，可以保证在动水条件下取得足量浓度的黄河泥沙，取沙效率高；
(2)可远距离输送充填:通过管道输送和中继加压泵站的合理组合，工程实施后可以实现远距离输送(>30km)，未来可以实现输送90km ；
(3)可保证覆土来源:通过预先对表土和部分心土进行剥离，可以保证在高潜水位平原矿区采煤沉陷地(未积水或积水深度〈2.0m)泥沙充填完成后有足量的覆盖表土 ；
(4)可缩短复垦时间:由于对每个充填条块末端的排水通道进行了改进，加大了其深度，并在其前端设置了土工布层，可以快速排走表层积水和泥沙中的过饱和水，将后期平整和覆盖表土的时间提前，缩短了整个复垦工期。
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明取沙场及设备布置示意图。
图3为本发明输沙管道及加压泵站布局示意图。
图4为本发明表土剥离和泥沙充填排水。
具体实施方式
本发明提出的远距离引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的方法，结合附图及实施例详细说明如下:
本发明提出的远距离引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的方法，如图1所示，其特征在于，将采煤沉陷地充填恢复为耕地、所述远距离为输送充填物距离大于30km ;包括以下步骤:
(I)预测不同时间点待充填采煤沉陷地的空间分布和需沙量:通过遥感影像解译、开采沉陷预计、现场调查方法，确定不同时间点的采煤沉陷地的空间分布和沉陷总面积、积水面积及沉陷深度，进而确定出不同时间点的充填位置和需沙量；
本实施例区域现状采煤塌陷地总面积为8397.53公顷，积水面积199.19公顷，充填需沙量18453.57万m3，预计至2015年，累计采煤塌陷地总面积为13354.92公顷，积水面积505.26公顷，累计充填需沙量29327.4万m3，预计至2020年，累计采煤塌陷地总面积为33015.91公顷，积水面积799.52公顷，累计充填需沙量72552.46万m3。
(2)选择取沙位置及取沙设备:根据待充填采煤沉陷地的位置和需沙量，结合黄河的河势及滩区沿岸 分布情况，选择取沙场位置(在保障黄河安全的情况下，保证取得足量的泥沙并在技术经济上可行)。在选择取沙场位置时，应考虑以下原则:1)挖河道主河槽和嫩滩，使主河槽加深加宽，以增大平滩流量；2)选取的挖河段落，不能影响此段河道的治导线、河势溜向和已布置的节点工程；3)沙场位置布置在险工下首，两处工程之间，生产堤以外，避开引黄闸取水口。选用绞吸式挖泥船、组合水力冲挖机泵或DPB电泵平台并联式清淤设备中任一种作为取沙设备；考虑远距离输送的经济成本，取沙泵和泥浆泵的功率为18-25kw，扬程为20-50m，DPB电泵平台并联式清淤设备的功率为80_100kw，扬程为30_40m ；
本实施例设计引水取沙充填采煤沉陷地的渠首位置位于黄河陈垓引黄闸上游处。在陈垓引黄闸附近布设I号、2号、3号沙场。1#沙场位于伟庄险工下首与于楼险工之间，长3000m,宽450m，面积为135万m2，设计平均开挖深度3m，沙场储量约404万m3。2#沙场位于程那里险工下首与蔡楼工程上首之间，长2800m，宽800m，面积为224万m2，设计平均开挖深度3.0m,沙场储量652万m3。3#沙场位于蔡楼工程下首与朱丁庄险工上首之间，长2300m，宽800m，面积为184万m2，设计平均开挖深度3.0m,沙场储量552万m3。
本实施例取沙场及取沙设备布局设计如图2所示，包括在黄河4的两岸大堤5内伟庄险工下首至国那里闸之间的河段布置了 1#、2#、3#共计3个沙场布局三个取沙场(1、2、3)，每个取沙场的取沙设备具体布设如下:
①在1#沙场1:
1#沙场I设计量1520m3/h。其中，布设2艘350m3/h绞吸式YS-200型电动绞式挖泥船11，设计流量为700m3/h ;采用I台NL125-20泥浆泵12，设计量200m3/h，配4台80-50-2050高压水枪泵(图中未示出)，设计量50m3/h。采用I台NL100-28泥浆泵13，设计量120m3/h，配2台Z80-50-200B高压水枪泵(图中未示出)，设计量60m3/h。采用I台DBP500-35-3型电动泵平台14，单机设计量500m3/h。通过1.52千米输沙管道6(直径600mm)一级接力加压将水沙输送至I号泵站71 (如图3所示)；
②在2#沙场2:
2#沙场2设计量1200m3/h。布设2艘350m3/h绞吸式YS-200型电动绞式挖泥船21，设计流量为700m3/h，I台DBP500-35-3型电动泵平台22，单机设计量500m3/h。通过3.72千米输沙管道6 (直径500_) —级接力加压将水沙输送至I号泵站。
③在3#沙场3:
3#沙场设·计量1200m3/h。布设2艘350m3/h绞吸式YS-200型电动绞式挖泥船31，设计流量为700m3/h，I台DBP500-35-3型电动泵平台32，单机设计量500m3/h。通过8.66千米输沙管道6 (直径500_)两级接力加压将水沙输送至I号泵站。
(3)输沙管道的布设:采用管道输沙方式，按照主管加支管的方式布设，主管和支管的平直段均采用法兰连接，转弯段均采用弯管连接，主管道和支管道采用异径直接进行连接。主管为铸石复合钢管，直径为500-800mm，布设到矿区附近；支管采用300-600mm的普通钢管，布设到待充填采煤沉陷区。泥沙输送设计流速为1.9-2.5m/s。根据取沙泵功率和传输距离，必要时在主管路线上设立若干中继加压泵站，保障泥沙的远距离输送。输沙浓度控制在 300-700kg/m3 ；
本实施例输沙管道及加压泵站布局如图3所示。在伟庄险工下首至国那里闸之间的输沙河段布置了 1#、2#、3#共计3个沙场(1、2、3)，用挖泥船、DPB电泵及组合水力冲挖机泵采取水沙后，经输沙管道6输送至I号泵站71。经I号泵站加压后，沿输沙管道91输送至后码头村梁济运河II号泵站72处，经加压泵站加压后，沿输沙管道92与III号泵站73相连接，由III号泵站沿输沙管道93向南与IV号泵站74相对接，主管道长50.53km，构成引黄输水主管道工程。
经次干道13.88km,输沙至项目区01号煤矿沉陷地81。
经次干道9.22km,输沙至项目区02号煤矿沉陷地82。
由于本工程输沙距离较远，因此采用混合式接力输送方式，即采用泵站串联接力方式，将泥沙输送至沉陷地。
(4)沉陷地的充填及复垦:根据步骤(I)所确定的待充填采煤沉陷地的时间与空间分布和需沙量，根据不同情况选择不同的复垦方式:①根据开采沉陷预计结果，对将要塌陷而未积水的采煤沉陷地，采取动态预复垦的方法:即先划分充填条块，再对各条块表土和部分心土进行剥离，剥离总厚度应等于该处的沉陷预计深度，其中表土剥离深度一般为30cm，并就近堆积成围堰土堤，形成若干个长方形待充填的条块(条块尺寸依据沉陷地具体情况和当地农田需要，一般长为100-500m，宽15-100m);用管道输沙充填待充填的条块，在充填过程中同时排水，以加速泥沙沉淀；待充填的条块充填完毕后，将周边堆积的表土和心土按照设计高程覆盖在充填的泥沙上。②对于已塌陷积水且积水深度小于2.0m的稳定沉陷地，在待充填区域预先修筑排水沟排走积水，或布设水井进行抽排降低潜水位，再划分充填的条块，进行表土和部分心土剥离、泥沙充填、排水、表土覆盖；③对于塌陷积水深度大于2.0m的沉陷地，直接输送黄河泥沙进行充填，再进行排水，最后采用客土进行覆盖形成充填复垦土地。
本实施例采煤沉陷地的泥沙充填及复垦方法如图4所示，即在排走沉陷区积水后，将沉陷区划分成规则的长方形条块，再按图中所示顺序号进行表土和部分心土剥离堆放、泥沙充填排水和表土覆盖，待条块I完成复垦后再按相同步骤进行条块2、3、4、5、……、14和15的复垦。为加快充填泥沙的排水，缩短复垦时间，在每个条块末端设置土工布挡沙排水设施，即在每个排水口 前端设置一层土工布层，排水口的宽度为0.2-lm，深度与围堰土堤等高，从而加大排水断面，实现拦蓄泥沙，快速排走充填泥沙表层清水和内部过饱和水的目标。
权利要求
1.一种远距离引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的方法，其特征在于将采煤沉陷地充填恢复为耕地、所述远距离为输送充填物距离大于30km ;该方法包括以下步骤 (1)预测不同时间点待充填采煤沉陷地的空间分布和需沙量通过遥感影像解译、开采沉陷预计、现场调查方法，确定不同时间点的采煤沉陷地的空间分布和沉陷总面积、积水面积及沉陷深度，进而确定出不同时间点的充填位置和需沙量； (2)选择取沙位置及取沙设备根据待充填采煤沉陷地的位置和需沙量，结合黄河的河势及滩区沿岸分布情况，选择取沙场位置，选用绞吸式挖泥船、组合水力冲挖机泵或DPB电泵平台并联式清淤设备中任一种作为取沙设备；其中，取沙泵和泥浆泵的功率为18-25kw，扬程为20-50m，DPB电泵平台并联式清淤设备的功率为80_100kw，扬程为30_40m ； (3)输沙管道的布设采用管道输沙方式，按照主管加支管的方式布设输沙管道，所述主管为铸石复合钢管，直径为500-800mm，布设到矿区附近；支管采用300-600mm的普通钢管，布设到待充填采煤沉陷区；泥沙输送流速为1.9-2. 5m/s ;根据取沙泵功率和传输距离，在主管路线上设立若干中继加压泵站，保障泥沙的远距离输送；输沙浓度控制在300-700kg/m3； (4)沉陷地的充填及复垦根据步骤(I)所确定的待充填采煤沉陷地的时间与空间分布和需沙量，根据不同情况选择不同的复垦方式①根据开采沉陷预计结果，对将要塌陷而未积水的采煤沉陷地，采取动态预复垦的方法即先划分充填条块，再对各条块表土和部分心土进行剥离，并就近堆积成围堰土堤，形成若干个长方形待充填的条块；用管道输沙充填待充填的条块，在充填过程中同时排水，以加速泥沙沉淀；待充填的条块充填完毕后，将周边堆积的表土和心土按照设计高程覆盖在充填的泥沙上。②对于已塌陷积水且积水深度小于2. Om的稳定沉陷地，在待充填区域预先修筑排水沟排走积水，或布设水井进行抽排降低潜水位，再划分充填的条块，进行表土和部分心土剥离、泥沙充填、排水、表土覆盖；③对于塌陷积水深度大于2. Om的沉陷地，直接输送黄河泥沙进行充填，再进行排水，最后采用客土进行覆盖形成充填复垦土地。
2.如权利要求I所述方法，其特征在于，所述步骤(4)中三种方式排水时均要在每个充填条块靠近排水沟一端的土堤上挖掘一宽为O. 2-lm、深度与围堰土堤等高的排水通道，并在其前端设置土工布层，以拦蓄泥沙快速排水。
全文摘要
本发明涉及远距离引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的方法，属于矿山环境保护技术领域。该方法包括通过遥感影像、开采沉陷预计和现场调查方法，确定待充填采煤沉陷地时间与空间的分布特征和需沙量；根据黄河的河势、滩区分布情况及沉陷区域的位置选择取沙点，选用取沙设备；采用主管加支管的管道输送泥沙方式，并设立中继加压泵站，保障泥沙的远距离输送；对待充填区域按照三种情况分别采取直接剥离表土、预先排水再剥离和直接充填等复垦措施，再输送泥沙进行充填，并在充填过程中及时排水，加速泥沙沉淀，待条块充填完毕后，将周边的剥离土覆盖在充填的泥沙上或采用客土覆盖，形成具有较高生产力的充填复垦土地。
文档编号E02D3/10GK103255762SQ20131017392
公开日2013年8月21日 申请日期2013年5月10日 优先权日2013年5月10日
发明者胡振琪, 王培俊, 纪仁卿, 赵艳玲, 邵芳 申请人:中国矿业大学(北京)